漢江中下游水華發(fā)展新形勢及治理對策分析

陳 峰,王 文 靜,何 濤,周 浩 然,錢 寶

(長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430010)

0 引 言

漢江是長江中游的最大支流,在國家水資源配置和漢江生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展中具有十分重要的地位。20世紀(jì)90年代以來,隨著漢江沿岸經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展以及梯級水利樞紐的相繼建成運(yùn)行,漢江水環(huán)境質(zhì)量和水動力條件也發(fā)生了較大變化。其中,中下游河流富營養(yǎng)化問題尤為突出,具體表現(xiàn)為漢江中下游“水華”隔年不定時(shí)暴發(fā),造成河流水質(zhì)急劇惡化,直接影響沿江生產(chǎn)生活用水安全。特別是2008年以后,漢江中下游水華發(fā)生頻率增加,基本上每年都不同程度地發(fā)生“水華”現(xiàn)象[1-3],給區(qū)域水安全保障帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

歷次水華監(jiān)測資料分析表明:漢江水華大多發(fā)生在初春季節(jié)(2～3月份),主要優(yōu)勢種為硅藻,影響區(qū)域在仙桃至龍王廟段干流。近年來影響范圍不斷上溯,其中,2018年春季水華歷時(shí)30余天,上溯至皇莊附近,覆蓋了整個(gè)興隆水庫庫區(qū),為有記錄以來歷時(shí)最長、影響范圍最大的一次。2022年汛期長江流域發(fā)生罕見干旱,漢江中下游來水嚴(yán)重偏枯。漢江中下游干流首次發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華,引起了有關(guān)部門的高度重視。為持續(xù)監(jiān)控水華發(fā)展趨勢,長江流域水質(zhì)監(jiān)測中心及時(shí)開展應(yīng)急監(jiān)測,從2022年7月14日持續(xù)到9月19日,歷時(shí)近70 d。本文根據(jù)此次應(yīng)急監(jiān)測資料,結(jié)合以往研究成果,初步分析2022年夏季水華成因,提出相應(yīng)對策及建議。

1 2022年夏季水華應(yīng)急監(jiān)測

基于初步調(diào)查監(jiān)測結(jié)果,為監(jiān)控水華發(fā)展趨勢,了解漢江襄陽至武漢段藻類的沿程分布,長江流域水質(zhì)監(jiān)測中心開展了漢江中下游水華應(yīng)急監(jiān)測。應(yīng)急監(jiān)測斷面布設(shè)見圖1。水華程度分級標(biāo)準(zhǔn)參考HJ 1098-2020《水華遙感與地面監(jiān)測評價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》,具體內(nèi)容見表1。

表1 基于藻密度評價(jià)的水華程度分級標(biāo)準(zhǔn)

圖1 漢江中下游水華應(yīng)急監(jiān)測斷面布設(shè)

2 漢江中下游水華影響因子

一般認(rèn)為,引起水華暴發(fā)的環(huán)境因子主要包括營養(yǎng)鹽、氣象和水動力3方面條件[4-6]。其中,營養(yǎng)鹽是基礎(chǔ)性限制因子,是水華發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ);氣象條件是誘導(dǎo)因子;水動力條件是驅(qū)動因子;其他如底質(zhì)等,作為營養(yǎng)物質(zhì)載體,也是藻類增殖的影響因子。由于硅藻低溫耐受性強(qiáng),且喜好緩流水體,因此,春季特定的水文氣象環(huán)境為漢江水華提供了有利條件。根據(jù)本次監(jiān)測資料,結(jié)合以往研究成果,從水文條件、氣象條件、營養(yǎng)鹽和水華預(yù)警指標(biāo)等方面,初步分析2022年夏季漢江中下游水華成因。

3 水文條件

3.1 水 溫

研究表明,不同藻類適宜生長的溫度范圍不同,一般來說,藍(lán)藻喜高溫,硅藻耐低溫,藍(lán)藻的適宜生長溫度普遍高于硅藻。硅藻生長的最佳氣溫范圍是16～30 ℃,其中,小環(huán)藻為16～30 ℃,并且在低溫條件下生長速率較快;直鏈藻為23～28 ℃。藍(lán)藻的光合作用和生長速率在25 ℃以上顯著增加,最適生長溫度范圍為25～32 ℃,其中,偽魚腥藻和平裂藻最佳生長溫度為25～30 ℃;顫藻在30～32 ℃溫度范圍內(nèi)生長速率較快[7-11]。

2022年夏季長江中下游發(fā)生持續(xù)晴熱天氣,7月中旬至9月中旬,漢江中下游仙桃和宗關(guān)斷面實(shí)測水溫為25.0～34.0 ℃(見圖2),與藍(lán)藻的最適生長溫度范圍較符合。結(jié)合較大的光照強(qiáng)度和充足的光照時(shí)間,藍(lán)藻生長速率加快,這可能是導(dǎo)致本次水華出現(xiàn)藍(lán)藻為優(yōu)勢種的原因之一。同時(shí),本次水華發(fā)生初期,水體溫度與硅藻門(直鏈藻)最適生長溫度范圍也較符合,硅藻繁殖加快,導(dǎo)致漢江中下游水華出現(xiàn)硅藻門和藍(lán)藻門優(yōu)勢種交替出現(xiàn)的特征(見圖3)。

圖2 2022年漢江中下游水華實(shí)測水溫

圖3 2022年漢江中下游水華主要優(yōu)勢種

春季硅藻水華常見優(yōu)勢種為耐低溫的小環(huán)藻、冠盤藻[12],而夏季水溫較高,監(jiān)測到的硅藻優(yōu)勢種為更適宜高溫的直鏈藻,優(yōu)勢種不同是夏季硅藻水華與春季硅藻水華的顯著不同點(diǎn)之一。

為進(jìn)一步驗(yàn)證水溫與水華暴發(fā)的相互關(guān)系,比較了2014～2022年歷年7月漢江干流沿程水溫變化,2022年7月漢江干流水溫總體上呈沿程升高趨勢。漢江中下游干流2022年7月水溫是2014～2022年歷年同期最高,余家湖以下河段在7月平均水溫比同期多年平均值約高2 ℃。因此,較高的水溫條件是漢江中下游夏季發(fā)生藍(lán)藻水華的因素之一。

3.2 流 速

溫度升高,藍(lán)藻生物量不斷增加,成為水體中的優(yōu)勢種,但它仍趨向均勻分布。水動力的輸移使藍(lán)藻大量聚集到特定區(qū)域,從而暴發(fā)藍(lán)藻水華。根據(jù)近年來漢江下游春季暴發(fā)水華的水力條件的統(tǒng)計(jì)分析[13],水華暴發(fā)初期,仙桃和沙洋斷面的平均流速范圍分別為0.25～0.46 m/s和0.10～0.13 m/s,水華消退時(shí)仙桃和沙洋斷面平均流速范圍分別為0.43～0.67 m/s和0.14～0.20 m/s。

對皇莊站和仙桃站2004～2022年歷年7月實(shí)測平均流速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖4所示?；是f站2022年7月實(shí)測平均流速為0.49～0.68 m/s,比歷年實(shí)測平均流速偏低34.9%～53.1%。仙桃站7月實(shí)測平均流速為0.65～0.85 m/s,比歷年實(shí)測平均流速偏低13.4%～33.8%。本次水華期間皇莊站和仙桃站流速條件相比歷史同期較差,但實(shí)測平均流速均大于文獻(xiàn)[14]報(bào)道的春季水華暴發(fā)的流速范圍。

圖4 2022年7月漢江中下游水華實(shí)測平均流速

3.3 流 量

3.3.1本次水華期間流量特征

統(tǒng)計(jì)皇莊站1974～2022年連續(xù)49 a的7月同期平均流量,2022年7月皇莊站平均流量為810 m3/s,與特枯年P(guān)=95%的平均流量相當(dāng)。統(tǒng)計(jì)仙桃站1972～2022年連續(xù)51 a的7月同期平均流量,2022年7月仙桃站平均流量為927 m3/s,與枯水年P(guān)=85%的平均流量相當(dāng)。受流域降水少、氣溫高等因素影響,2022年夏季漢江下游整體呈“汛期反枯”的特點(diǎn)。

對仙桃斷面的流量-藻密度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見圖5)。7月16日仙桃斷面水體呈“輕度水華”特征。隨后藻密度快速增長,達(dá)到“中度水華”程度,受降雨帶來的水體擾動以及大流量影響,7月21日藻密度出現(xiàn)明顯下降,轉(zhuǎn)為“無明顯水華”。8月漢江下游流量明顯減小,天氣持續(xù)高溫晴熱,藻密度再次開始上升,水華程度升級為“輕度水華”。9月1日以后,仙桃斷面流量持續(xù)走低。天氣明顯轉(zhuǎn)涼,藻密度有較大幅度下降,氣溫的下降和光照強(qiáng)度的減弱導(dǎo)致藻類生長速度下降。9月15日和19日監(jiān)測結(jié)果均為“無明顯水華”,水華態(tài)勢有所緩解。

對仙桃斷面7月16日至9月8日(9月15日和19日兩次監(jiān)測結(jié)果顯示水華消退,故扣除兩次監(jiān)測數(shù)據(jù))期間實(shí)測流量-藻密度的相關(guān)性進(jìn)行了計(jì)算(見圖6)。結(jié)果顯示:仙桃斷面流量和藻密度呈負(fù)相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為-0.574 9,說明增大流量對加快水華消散有著積極作用。

圖6 仙桃斷面流量-藻密度線性擬合

3.3.2歷次春季水華期間流量特征

根據(jù)水文觀測資料,以2003～2021年為研究時(shí)段,此期間漢江中下游發(fā)生“水華”的年份為2003,2008,2010,2015,2016,2018年和2021年,其他年份未暴發(fā)“水華”。采用2003～2021年漢江中下游皇莊站和仙桃站1～3月月平均流量資料分析“水華”期間漢江中下游流量特征。

2003年和2008年漢江中下游發(fā)生“水華”期間,皇莊站和仙桃站1～3月平均流量分別為549 m3/s和533 m3/s。2010,2015,2016,2018年和2021年發(fā)生“水華”期間皇莊站和仙桃站1～3月平均流量分別為798 m3/s和720 m3/s,“水華”發(fā)生期間流量有明顯升高的趨勢。推測2009年12月興隆水利樞紐工程實(shí)現(xiàn)一期截流,中下游水體流速下降,藻類更加容易聚集,導(dǎo)致較大流量下發(fā)生“水華”概率的提升(見圖7)

對漢江中下游主要斷面未發(fā)生“水華”和發(fā)生“水華”年份的1～3月平均流量進(jìn)行對比(見圖8),未發(fā)生“水華”年份皇莊站1～3月平均流量分別為907,888 m3/s和950 m3/s,發(fā)生“水華”年份皇莊站1～3月平均流量分別為731,720 m3/s和780 m3/s,分別減少176,168 m3/s和170 m3/s。未發(fā)生“水華”年份仙桃站1～3月平均流量分別為815,810 m3/s和873 m3/s,發(fā)生“水華”年份仙桃站1～3月平均流量分別為665,656 m3/s和735m3/s,分別減少150,154 m3/s和138 m3/s。發(fā)生“水華”年份1～3月月平均流量明顯低于未發(fā)生“水華”年份,說明枯水期流量減小可能是“水華”發(fā)生的原因之一。

圖8 漢江中下游主要斷面未發(fā)生水華、發(fā)生水華月平均流量對比

2022年夏季水華發(fā)生初期,皇莊站平均流量為810 m3/s,與近年春季水華期間流量相當(dāng);仙桃站平均流量為927 m3/s,大于春季水華期間流量。

3.3.3流量閾值

根據(jù)2010～2022年漢江中下游水華發(fā)生期間仙桃站月平均流量計(jì)算流量累積頻率,繪制2010～2022年仙桃站水華期間累積頻率圖(見圖9)。根據(jù)累積頻率圖分析,水華發(fā)生期間仙桃站90%累積頻率流量為910 m3/s,即仙桃站流量達(dá)到910 m3/s以上時(shí),有90%以上的概率不會發(fā)生水華。

圖9 2010～2022年仙桃站水華期間流量累積頻率

仙桃站水華防控和環(huán)境閾值分析表明[14],硅藻水華暴發(fā)的水質(zhì)、氣溫和流量臨界預(yù)警值為:葉綠素a質(zhì)量濃度高于76.47 μg/L,7 d滑動積溫超過56.02 ℃,最小7 d平均流量低于780 m3/s。

對2022年7月10日至8月31日水華期間流量變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),如圖10所示。皇莊站流量為593～1 080 m3/s,最小7 d平均流量為629.7 m3/s(8月9～15日)。興隆站流量為680～1 120 m3/s,最小7 d平均流量為736 m3/s(8月11～17日);仙桃站流量為547～1 120 m3/s,最小7 d平均流量為592.6 m3/s(8月13～19日)。

圖10 2022年漢江中下游水華期間流量變化

仙桃站7月上旬平均流量1 098 m3/s,大于水華發(fā)生期間仙桃站90%累積頻率流量;7月最小7 d平均流量為789.6 m3/s,略大于文獻(xiàn)[14]報(bào)道的春季硅藻水華閾值。

2022年水華發(fā)生初期,漢江下游流量條件較好,后續(xù)流量持續(xù)走低,夏季偏枯為水華持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

4 氣象條件

4.1 風(fēng) 速

水華常出現(xiàn)在較為穩(wěn)定的水體中,輕緩的風(fēng)浪促進(jìn)藍(lán)藻水華的形成。風(fēng)浪可將湖區(qū)內(nèi)的藍(lán)藻吹向湖岸從而形成堆積,有利于水華的形成,同時(shí),風(fēng)浪的擾動可使?fàn)I養(yǎng)鹽從沉積物中釋放出來,形成有利于水華暴發(fā)的營養(yǎng)鹽條件。太湖藍(lán)藻形成的風(fēng)速閾值為3.1 m/s,即當(dāng)風(fēng)速小于3.1 m/s時(shí)易形成水華[15-16]。

對漢江干流沿線氣象站2022年7月的風(fēng)速變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖11所示。老河口光化站和武漢機(jī)場站在2022年7月風(fēng)速均較小,基本小于3 m/s。鐘祥站7月1～7日風(fēng)速較小,7月8日開始風(fēng)速明顯增大,7月18～21日又再次減小到3 m/s以下,7月23日開始維持在3 m/s左右,至29日開始再次減小。

圖11 漢江干流沿線城市風(fēng)速變化

在7月上旬,漢江干流沿線風(fēng)速較低,風(fēng)力多為2級風(fēng),藍(lán)藻在該段時(shí)期正處于復(fù)蘇、繁殖階段,而且風(fēng)力較小幾乎無風(fēng)浪,這就為藍(lán)藻提供了極其適宜的生長條件,有利于大面積水華的形成。

4.2 降水量

降水活動對水華的影響主要體現(xiàn)在氣溫降低和光照強(qiáng)度減弱導(dǎo)致的藻類生長速率下降;流量增大縮短了浮游藻類在河段中的傳輸和滯留時(shí)間,降低藻類生長速率,使其無法大量聚集,從而加快水華的消退速度。降水發(fā)生時(shí),大量泥沙進(jìn)入水體,導(dǎo)致濁度上升以及pH值、營養(yǎng)鹽等條件的改變。由于藻類不能適應(yīng)這種環(huán)境因素突變,容易引起水華快速消退。

夏季富營養(yǎng)化水體中,藍(lán)藻常常成為水華優(yōu)勢種遮蔽水體表面,對硅藻形成光競爭優(yōu)勢。水體攪動使硅藻可以打破這一限制,得到充足的光照。此外,由于硅藻自身密度一般大于水體密度,因此,在水體中具有下沉趨勢,而水體縱向攪動可減緩這一趨勢。降水活動對水體的擾動是漢江中下游水華出現(xiàn)硅藻門和藍(lán)藻門優(yōu)勢種交替出現(xiàn)的原因之一。

2022年7月16～20日連續(xù)降水后,7月21日仙桃斷面流量上升為1 060 m3/s,氣象條件和水動力條件同時(shí)作用,使斷面藻密度下降幅度達(dá)到65.6%,水華程度由“輕度水華”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盁o明顯水華”。8月28～29日降水后,9月1日仙桃斷面流量下降至543 m3/s,藻密度也出現(xiàn)較大幅下降。降水期間,仙桃氣溫由33 ℃驟降至18 ℃,降溫幅度達(dá)15 ℃,且8月25～30日均為陰雨天氣,推斷因?yàn)闅鉁氐南陆岛凸庹諒?qiáng)度的減弱導(dǎo)致藻類生長速度下降。9月1日仙桃斷面藻密度下降幅度達(dá)到48.5%,水華態(tài)勢有所緩解,但仍為“輕度水華”。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果,降水可同時(shí)引起氣象條件和水文條件的改變,對水華的緩解作用要大于單純的流量增大等水文條件的改變。

5 營養(yǎng)鹽

5.1 總 磷

營養(yǎng)鹽是水華發(fā)生的基礎(chǔ)性、限制性因素。一般認(rèn)為,水體富營養(yǎng)化總磷濃度閾值為0.075 mg/L。在氣象條件和水動力條件基本滿足的前提下,營養(yǎng)水平達(dá)到閾值,水華暴發(fā)的可能性就大大增加。

丹江口大壩加高工程于2013年8月通過蓄水驗(yàn)收,興隆水利樞紐于2013年建成。因此,以2013年為分割點(diǎn),分別統(tǒng)計(jì)了2008～2013年和2014～2022年漢江中下游典型水質(zhì)斷面總磷濃度(見表2)。

表2 漢江中下游干流總磷多年平均濃度

5.1.1干流總磷濃度時(shí)空變化

從空間分布上看(見圖12),漢江中下游干流總磷濃度呈現(xiàn)從上往下“三段式”的增大趨勢[17]。丹江口壩上斷面總磷濃度較低,多年平均濃度滿足湖庫Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(湖庫限值0.025 mg/L)。壩下第一段為丹江口-襄陽河段,總磷多年平均濃度0.023～0.029 mg/L;第二段為余家湖-皇莊河段,總磷多年平均濃度為0.047～0.053 mg/L;第三段為仙桃-宗關(guān)河段,總磷多年平均濃度為0.070～0.085 mg/L,大致滿足河流Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(河流限值0.100 mg/L)(見表2)。

圖12 漢江中下游干流總磷濃度年際變化趨勢

從時(shí)間分布上看,丹江口壩上、丹江口壩下和余家湖3個(gè)斷面2014～2022年多年平均濃度要略低于2008～2013年,而白家灣、襄陽、仙桃和宗關(guān)4個(gè)斷面2014～2022年多年平均濃度要高于2008～2013年。前一組斷面均在水利工程附近,丹江口壩上斷面位于大壩上游約0.4 km,丹江口壩下斷面位于大壩下游約6 km,余家湖斷面位于崔家營壩下約2 km,可能受水利工程調(diào)度影響,下泄水體的泥沙含量減少使水體中顆粒態(tài)磷減少,總磷濃度降低。后一組斷面均位于城市河段,且附近有多條支流匯入,受區(qū)域面源污染和支流匯入影響,總磷濃度增加。

總體來看,漢江中下游干流水質(zhì)較好,2008～2022年總磷年均值基本均滿足Ⅱ類水質(zhì)要求。

5.1.2干流總磷濃度逐月變化

分別對2008～2013年和2014～2022年漢江中下游干流典型斷面的多年平均逐月總磷濃度變化進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),見圖13。

2008～2013年丹江口壩上-余家湖斷面總磷濃度總體上秋冬季大于春夏季,變化相對平緩,1～7月濃度較為穩(wěn)定,9～11月出現(xiàn)明顯峰值。仙桃和宗關(guān)斷面2008～2013年逐月總磷濃度變化幅度相對較大,尤其秋、冬季總磷濃度有明顯波動,最大值分別出現(xiàn)在12月和10月,4～8月濃度則相對穩(wěn)定。

2014～2022年各斷面總磷逐月變化與2008～2013年相比,丹江口壩上至余家湖斷面總體趨勢基本一致,仙桃和宗關(guān)斷面變化較明顯,2013年以前,濃度最大值出現(xiàn)在秋冬季,2013年以后濃度最大值出現(xiàn)在夏季,即汛期濃度值較高,通常7月為最高。

5.1.3支流總磷變化特征

總體來看,漢江支流總磷濃度要高于漢江干流。漢江中下游支流總磷多年平均濃度見表3,漢江中下游支流總磷近年來年際變化趨勢見圖14。

表3 漢江中下游支流總磷多年平均濃度

注:郭灘、新甸鋪、小清河口、唐白河口斷面統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2008年1月至2022年10月,北河、谷城(二)、潛江斷面統(tǒng)計(jì)時(shí)間為2020年1月至2022年10月。

漢江中游支流小清河和唐白河水質(zhì)較差,總磷多年平均濃度為0.175 mg/L和0.169 mg/L,隨著水環(huán)境治理取得成效,總磷濃度呈明顯下降趨勢,2018年以來基本滿足Ⅲ類水質(zhì)要求,但仍高于漢江襄陽段干流的總磷濃度。余家湖斷面總磷濃度明顯高于襄陽斷面,可能是受唐白河、小清河支流匯入的影響。

支流北河、南河、東荊河水質(zhì)相對較好,2020～2022年總磷濃度滿足符合Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。北河和谷城(二)斷面總磷多年平均濃度相當(dāng),分別為0.037 mg/L和0.038 mg/L,略高于襄陽斷面總磷濃度。潛江斷面總磷多年平均濃度為0.053 mg/L,與皇莊斷面濃度基本相當(dāng),低于仙桃斷面總磷濃度。

5.2 總 氮

一般認(rèn)為,水體富營養(yǎng)化總氮濃度閾值為1.5 mg/L,只要滿足氣象條件和水動力條件,水華暴發(fā)的可能性就大大增加。2020～2022年漢江中下游干流總氮監(jiān)測年均值結(jié)果見圖15。漢江干流總氮背景值較高,均超過地表水Ⅲ類限值(Ⅲ類限值1.0 mg/L,Ⅳ類限值1.5 mg/L)。丹江口壩上總氮濃度維持在Ⅳ類,其他斷面均有出現(xiàn)Ⅴ類情況。

圖15 漢江中下游干流總氮年際變化趨勢

漢江中下游支流總氮年際變化趨勢見圖16。漢江中下游支流斷面總氮濃度均有Ⅴ類情況,尤其是唐河、白河、唐白河的總氮濃度較高,均大于3 mg/L。

圖16 漢江中下游支流總氮年際變化趨勢

總體來看,漢江中下游水體總氮濃度已滿足水華暴發(fā)的濃度閾值。

5.3 硅酸鹽

對于硅藻類浮游植物而言,硅是構(gòu)成機(jī)體不可缺少的組分。硅酸鹽被浮游植物吸收后大量用來合成無定形硅,組成硅藻等浮游植物的硅質(zhì)殼,少量用來調(diào)節(jié)浮游植物的生物合成。在淡水生態(tài)系統(tǒng)中,硅含量通常能夠滿足硅藻的生長需要,因此一般不會成為限制因子,但硅的吸收耗竭卻有可能是硅藻水華消亡和藻類群落演替的重要原因。

一般地下水中偏硅酸的含量為地表水含量的3～8倍。受地質(zhì)條件影響,江漢平原地下水中偏硅酸含量較高,平均含量約為39.17 mg/L[18]。因此,漢江流域地表水中硅酸鹽含量相對較高。2021年1月21日漢江中下游水華期間硅酸鹽監(jiān)測結(jié)果見圖17。發(fā)生水華的皇莊-宗關(guān)水廠河段硅酸鹽濃度要明顯低于未發(fā)生水華的丹江口壩上和襄陽斷面。這可能是水華中后期,硅藻生物的大量吸收導(dǎo)致硅濃度出現(xiàn)明顯下降引起的。

圖17 2021年1月漢江中下游水華期間實(shí)測硅酸鹽濃度

2022年7～8月水華期間藍(lán)藻與硅藻共存、交替出現(xiàn),大多時(shí)間以硅藻(直鏈藻屬)為主。由于硅藻繁殖大量消耗水體中硅酸鹽,導(dǎo)致水體中硅酸鹽降至較低水平,大量硅藻進(jìn)入休眠期細(xì)胞狀態(tài),從而形成藍(lán)藻類種群(偽魚腥藻、顫藻屬、平裂藻屬)主導(dǎo)優(yōu)勢。一旦硅饑餓被解除,硅藻就可以快速恢復(fù)生長,特別在水華期間生長速率勝過其他物種。

5.4 硝酸鹽氮

作為總氮的重要組成成分,硝酸鹽氮同樣為藻類繁殖提供營養(yǎng)。對仙桃斷面有水華記錄的2008,2010,2015,2016,2018年監(jiān)測的硝酸鹽氮濃度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),以水華發(fā)生當(dāng)月的常規(guī)監(jiān)測結(jié)果代表水華發(fā)生中的監(jiān)測數(shù)據(jù),以上一個(gè)月的常規(guī)監(jiān)測結(jié)果代表水華前,下一個(gè)月代表水華后,忽略監(jiān)測日期與水華發(fā)生日期不一致的問題,水華典型年的硝酸鹽氮濃度統(tǒng)計(jì)見圖18。

圖18 水華典型年的硝酸鹽氮濃度

仙桃斷面2008,2010,2015,2016年4個(gè)水華典型年的硝酸鹽氮濃度在水華發(fā)生時(shí)降低,水華消退后濃度再次升高。2018年水華發(fā)生時(shí)硝酸鹽氮濃度略有增大,可能是受實(shí)際監(jiān)測日期與水華發(fā)生日期不一致的影響。由此可推斷,藻類的大量繁殖,充足的硝酸鹽氮可以為藻類生長繁殖提供營養(yǎng),引起硝酸鹽濃度的降低,有利于藻類水華的暴發(fā)。

6 水華預(yù)警指標(biāo)分析

6.1 pH值

本次漢江水華初期發(fā)現(xiàn)階段,仙桃水質(zhì)自動監(jiān)測站pH值均出現(xiàn)異常波動,有明顯升高趨勢。通過Pearson函數(shù)計(jì)算相關(guān)系數(shù),仙桃斷面pH值-藻密度相關(guān)系數(shù)為0.541 1,宗關(guān)斷面pH值-藻密度相關(guān)系數(shù)為0.604 6,有較好的正相關(guān)性(見圖19)。

圖19 pH值與藻密度相關(guān)系數(shù)

在2016,2018,2021年的春季水華初期,仙桃水質(zhì)自動監(jiān)測站pH值也觀察到明顯升高趨勢。綜上,pH值可作為水體水華預(yù)警的表征參數(shù)之一。

6.2 溶解氧

對水華初發(fā)期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算,仙桃斷面溶解氧-藻密度Pearson相關(guān)系數(shù)為0.726 2;宗關(guān)斷面溶解氧-藻密度Pearson相關(guān)系數(shù)為0.749 7,均有較高的正相關(guān)性(見圖20)。

圖20 溶解氧與藻密度相關(guān)系數(shù)

與pH值類似,水華初期發(fā)現(xiàn)階段,仙桃水質(zhì)自動監(jiān)測站可以觀察到溶解氧異常波動,有明顯升高趨勢。溶解氧可作為水體水華預(yù)警的表征參數(shù)之一。

6.3 葉綠素a

通過Pearson函數(shù)計(jì)算相關(guān)系數(shù),仙桃斷面葉綠素a-藻密度相關(guān)系數(shù)為0.832 5;宗關(guān)斷面葉綠素a-藻密度相關(guān)系數(shù)為0.822 1,均有較高的正相關(guān)性(見圖21),且相關(guān)性要優(yōu)于pH值和溶解氧。

圖21 葉綠素a與藻密度相關(guān)系數(shù)

7 結(jié) 論

2022年夏季,長江中下游持續(xù)晴熱高溫天氣,流域來水嚴(yán)重偏枯,漢江中下游首次發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華。長江流域水質(zhì)監(jiān)測中心依托現(xiàn)有監(jiān)測站網(wǎng),及時(shí)開展水華應(yīng)急監(jiān)測。通過對監(jiān)測資料的綜合分析,揭示夏季水華發(fā)生的關(guān)鍵影響因素,形成了初步認(rèn)識。同時(shí),基于對當(dāng)前水華防控突出問題的分析,提出相關(guān)對策建議。

7.1 主要認(rèn)識

(1) 時(shí)空分布方面。2014年興隆樞紐建成運(yùn)行后,漢江水華的影響范圍不斷擴(kuò)大,2022年水華范圍已上溯至皇莊以上江段。往年漢江水華大多發(fā)生在春季1～3月份,以2月份居多;本次水華發(fā)生在夏季7～9月,持續(xù)時(shí)間近70 d,遠(yuǎn)超過2018年漢江水華持續(xù)30 d 的記錄,也突破了漢江水華一般發(fā)生在春季的傳統(tǒng)認(rèn)知。總體來看,漢江水華的時(shí)空分布和影響范圍有擴(kuò)大趨勢。

(2) 優(yōu)勢種群方面。以往歷次漢江水華主要以硅藻為優(yōu)勢種群;2022年水華優(yōu)勢種群為硅藻和藍(lán)藻共存,為近20 a來漢江中下游首次發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻水華。水華優(yōu)勢種從硅藻到藍(lán)藻的演變,表明漢江中下游河道水體富營養(yǎng)化程度有加重趨勢;藍(lán)藻分泌藻毒素,具有冬眠特性,其危害性遠(yuǎn)大于硅藻,對飲用水安全帶來較大威脅,同時(shí)給水華防控也帶來更大的挑戰(zhàn)。

(3) 水華成因方面。研究表明,藍(lán)藻喜高溫、喜強(qiáng)光、喜靜水,適合生長的溫度為28～35 ℃,適宜在偏堿性、高氮磷的水體生長。本次水華期間,受持續(xù)晴熱天氣影響,皇莊站7月平均流量與特枯年P(guān)=95%的平均流量相當(dāng),實(shí)測平均流速比歷年實(shí)測平均流速偏低34.9%～53.1%,興隆至宗關(guān)河段平均水溫達(dá)30 ℃以上,總氮總磷濃度均已達(dá)到水華暴發(fā)的閾值。本次夏季藍(lán)藻水華的形成原因?yàn)?① 高營養(yǎng)鹽水平是水華發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和前提條件。② 高溫、強(qiáng)輻射、高pH值為藍(lán)藻繁殖生長提供了有利條件,是水華的誘發(fā)因子。③ 流量相對偏少、水動力條件不足,是形成水華的外部驅(qū)動條件。

(4) 工程影響方面。2022年水華發(fā)生期間,引江濟(jì)漢工程加大了補(bǔ)水流量,由于長江干流總磷水平明顯高于漢江上游,引水工程的運(yùn)行將加大漢江中下游總磷通量水平,可能加大藍(lán)藻水華風(fēng)險(xiǎn)。

(5)水華預(yù)警方面。受流域地質(zhì)條件及人類活動影響,漢江流域氮、磷濃度本底值偏高,硝酸鹽和硅酸鹽等營養(yǎng)鹽富集均有利于藻類生長。現(xiàn)狀條件下,漢江中下游干流總磷分布呈現(xiàn)“三段式”增大趨勢,仙桃-宗關(guān)河段,總磷濃度已達(dá)到水華暴發(fā)閾值。研究表明,pH值、溶解氧、葉綠素a等水質(zhì)參數(shù)與水體藻密度有較好的正相關(guān)性,可用于水華預(yù)警。

(6)水華防控方面。在影響水華的主要環(huán)境因子中,光照、水溫等條件不具有可調(diào)節(jié)性,營養(yǎng)鹽水平可以通過控源減排等手段調(diào)控,但短期內(nèi)效果不會明顯。相比而言,只有水動力指標(biāo)具有可調(diào)控性。因此,加強(qiáng)水工程聯(lián)合運(yùn)用,改善水動力條件,調(diào)節(jié)環(huán)境容量,是緩解漢江中下游水華問題的最直接途徑。

7.2 對策建議

漢江中下游首次發(fā)生夏季藍(lán)藻水華,水華發(fā)生時(shí)間及藻類優(yōu)勢種群的新變化,值得高度重視。為系統(tǒng)研究漢江水華機(jī)理及發(fā)展趨勢,科學(xué)運(yùn)用水庫及引調(diào)水工程,全面推進(jìn)漢江中下游水華防控體系建設(shè),有效應(yīng)對漢江中下游水華風(fēng)險(xiǎn),提出如下建議:

(1) 優(yōu)化綜合站網(wǎng)布局。從流域系統(tǒng)性出發(fā),統(tǒng)籌水資源、水環(huán)境、水生態(tài)保護(hù)治理,針對水華防控監(jiān)測站網(wǎng)覆蓋不足、監(jiān)測能力偏弱等突出問題,補(bǔ)齊監(jiān)測站點(diǎn)空白,整合監(jiān)測要素資源,加大監(jiān)測要素頻次,提高應(yīng)急監(jiān)測能力,構(gòu)建漢江中下游水文-水質(zhì)-水生態(tài)綜合監(jiān)測站網(wǎng),為漢江水華防控奠定堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。

(2) 強(qiáng)化全要素動態(tài)監(jiān)測。針對水華優(yōu)勢種生長特性不掌握、水華關(guān)鍵限制因子不明晰、水華發(fā)生范圍不精準(zhǔn)等問題,依托綜合監(jiān)測站網(wǎng),強(qiáng)化水華監(jiān)測能力建設(shè),實(shí)現(xiàn)全周期-全要素-全河段水華防控動態(tài)監(jiān)測,全面掌握水華演變規(guī)律和發(fā)展趨勢。

(3) 加強(qiáng)水華基礎(chǔ)研究。深化水華機(jī)理研究和預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究,充分發(fā)揮水庫綜合效益,開展水華調(diào)控聯(lián)合調(diào)度實(shí)踐,強(qiáng)化水華防控“四預(yù)”能力,為漢江水安全保障提供決策支撐。

(4) 建立水華防控協(xié)同機(jī)制。以河湖長制為抓手,建立漢江中下游水華防控協(xié)同機(jī)制,明確協(xié)調(diào)機(jī)制職責(zé),推進(jìn)工作互通、信息共享、執(zhí)法聯(lián)動,共同開展流域水生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作。